光电传感器介绍重点

Ch4Opto-electronicSensingandDetectionNorthChinaUniversityofTechnology/XuFen2光电测量系统及其特点非接触测量、精度高、可靠性高、反应快。PhotodetectorsPhotoresistorPhotodiode&phototransistors硅光电池(photovoltaiccell)Photodiodearray光电位置敏感器(positionsensitivedetector)集成成像器件(e.g.CCD,CMOS)4.1IntroductionNorthChinaUniversityofTechnology/XuFen3波粒二象性(wave-particleduality)：具有波的特征，又具有粒子的特点。PropertyrelatedtowavePropertyrelatedtophoton•光的传播速度•光的反射(reflection)•光的干涉(interference)•光的衍射(diffraction)•光的吸收(absorption)•光的发射(emissionofphotons)•光电效应(photo-electriceffect)PropertyofLightNorthChinaUniversityofTechnology/XuFen4Inthephotoelectriceffect,electronsareemittedfrommatter(metalsandnon-metallicsolids,liquidsorgases)asaconsequenceoftheirabsorptionofenergyfromelectromagneticradiation(电磁辐射）ofveryshortwavelength,suchasvisibleorultravioletlight.PhotoelectricEffect（光电效应）NorthChinaUniversityofTechnology/XuFen5KeyPointsA0是材料的表面逸出功(workfunction);每种物体存在一个红限频率(thresholdfrequency)，只有该频率之上的光才能产生光电流；光电流与光强成正比；光电子的能量正比于入射光的频率。光子的能量：E=hf,h=6.62*10-34(J.S)光电效应方程：Ek=1/2(mV2)=hf-A0NorthChinaUniversityofTechnology/XuFen6Typicaldevices:•光电管(phototube)•光电倍增管(PhotoMultiplierTube)优点:灵敏度高,稳定性好,响应速度快,噪音小缺点:结构复杂,工作电压高,体积大NorthChinaUniversityofTechnology/XuFen7•光电管(Phototube)分为真空光电管(vacuumtube)和充气光电管(gas-filledtube).真空光电管一般由阴极(cathode),阳极(anode)和真空玻璃管(vacuumtube)组成.当阴极受到光线照射后发射出光电子,光电子在极间电场的作用下运动到阳极被阳极吸收,在光电管内部形成电子流,光电流的数值通过阳极电路测出.NorthChinaUniversityofTechnology/XuFen8•PhotomultipliertubePMTareextremelysensitivedetectorsoflightintheultraviolet,visible,andnear-infraredrangesoftheelectromagneticspectrum.Thesedetectorsmultiplythecurrentproducedbyincidentlightbyasmuchas100milliontimes(i.e.,160dB),inmultipledynodestages,enablingindividualphotonstobedetectedwhentheincidentfluxoflightisverylow.当阴极受到光线照射后发射出光电子,光电子在极间电场的作用下打在第一个倍增极上(Dynode),激发出多个光电子,这些光电子接着打到第二个倍增极,产生更多的光电子,如此经过几个倍增极后,电子流迅速增大,最后被阳极吸收,从阳极电路输出.NorthChinaUniversityofTechnology/XuFen10入射光子在物质内部产生光生载流子，这些光生载流子引起物质电学性质发生变化，这种物理现象称为内量子效应。如光电导效应(photoconductiveeffect)，光生伏特效应(photovoltaiceffect)。Photo-conductivity半导体吸收光子的能量，通过本征激发产生电子-空穴对，这时在外电场作用下通过的电流会增大,即半导体的电导率增大。InternalQuantumEffectNorthChinaUniversityofTechnology/XuFen11Forintrinsicsemiconductor(本征半导体),入射光子使电子离开价带(valenceband)跃入导带(conductionband),使电导率增大,入射光的临界波长由禁带宽度决定.hvEg导带价带(a)Eg是禁带宽度(bandgap))(0nmEhcgNorthChinaUniversityofTechnology/XuFen12b)掺杂半导体hvEi(b))(0nmEhci对掺杂型(extrinsicsemiconductor),光子使施主(donor)能级中的电子或受主(acceptor)能级中的空穴跃迁到导带或价带,进而使半导体的电导率增大.其临界波长由杂质的电离能(ionizationenergy)决定.NorthChinaUniversityofTechnology/XuFen13无光照时,PN结内存在一个自建电场.当光照射PN结及其附近时，在结区附近产生少数载流子，这些载流子在自建场的作用下分别向P区和N区移动,在半导体内部产生附加光势垒，即光生电势.这一现象称为光生伏特效应。光生伏特效应的入射光临界波长决定于半导体材料的禁带宽度。光生伏特效应(photo-voltaiceffect)迁移区域P型N型导带价带费米能级PN结的光电效应hvNorthChinaUniversityofTechnology/XuFen14量子效率(quantumefficiency)单位时间内光电探测器输出的光电子数与入射光的光子数之比。从微观上反映了光电探测器件的灵敏度。ePIhvhvPeI/1光电探测器件的特性参数NorthChinaUniversityofTechnology/XuFen15响应度(responsiveness)响应度是与量子效率相对应的一个宏观参数，指单位入射的光辐射功率所引起的反应。包括电压响应度和电流灵敏度。入射的单位光功率所产生的信号电压Us,定义为电压灵敏度.产生的信号电流定义为电流灵敏度.PISPURsdsuNorthChinaUniversityofTechnology/XuFen16光谱响应特性(spectralresponse)光谱响应特性指光电探测器的响应度相对于入射光波长的关系。光谱响应主要取决于材料的禁带宽度。硅光敏的响应波段在400nm~1100nm之间。峰值波长约为900nm。响应时间(respondingtime)在阶跃输入光功率的条件下，探测器输出电流由零上升到稳态值的63%时的时间称为响应时间。NorthChinaUniversityofTechnology/XuFen17噪声等效功率(Noise-equivalentpower)使探测器输出电压正好等于输出噪声电压时的入射光功率定义为噪声等效功率（NEP).nsunUUPRUNEP/噪声与探测度光电探测器的探测度往往受限于器件中的噪声，尤其是在探测微弱光信号时。通常采用噪声等效功率的倒数表示光敏器件的探测度。NorthChinaUniversityofTechnology/XuFen184.2光敏电阻(photoresistors)光敏电阻属于典型的光电导型传感器，一般采用CdS材料制作，适用于紫外线、可见光范围。CdS光敏电阻的结构单晶CdS是N型半导体,禁带宽度Eg为2.42eV.光敏电阻中一般采用CdS与适量的CdCl2混合作成浆料，涂在陶瓷基体上。玻璃窗CdS浆料陶瓷基体NorthChinaUniversityofTechnology/XuFen19CdS光敏电阻的光敏特性光电灵敏度在给定电压和给定照度下的输出电流值。也可用照度-电阻特性曲线来表示灵敏度。光谱特性响应度随入射光波长的不同而变化的特性。CdS光敏电阻的峰值波长处于0.67um附近，属于可见光波段。响应时间响应时间与材料种类、照度、负载电阻及环境温度有关，一般在10-2~10-6秒数量级。温度特性对温度敏感。温度特性一般用温度系数描述。%100)(21212RTTRRNorthChinaUniversityofTechnology/XuFen20硅光电池是一种利用光伏效应的光电探测器件。峰值波长为0.8um。有2DR型和2CR型。2DR型：基片是P型硅，上面扩散磷形成N型薄膜，受光面是N型层；2CR型：N型基片，上面扩散有硼形成P型层，受光面为P型层。P型层基片电极N型层PN结栅状电极2DR型4.3硅光电池(SiPhotovoltaiccell)NorthChinaUniversityofTechnology/XuFen21RFVo硅光电池工作电路硅光电池工作时不需要外加偏置电压，使用比较方便.缺点是响应时间长.NorthChinaUniversityofTechnology/XuFen22普通光敏二极管的基本结构半导体材料采用硅。Eg=1.12eV管芯电极NP管芯断面4.4光敏二极管(photodiode)RLNorthChinaUniversityofTechnology/XuFen23光敏二极管的特性光照特性反向电压/V2500lux2000lux1500lux1000lux1000lux25015010050200102030光电流uA151052050100150200照度/lxNorthChinaUniversityofTechnology/XuFen24--+U=Is*RfcfRfLF411CN不加偏压的光电管的电流检测工作方式NorthChinaUniversityofTechnology/XuFen25加反向偏压的光敏二极管的互阻放大接口电路NorthChinaUniversityofTechnology/XuFen26PIN型光敏二极管(PINphotodiode)PIN-PDi)在P区和N区中间加入一个本征的I区,I层是高阻区，外加偏压大部分落在I区，使耗尽区(depletionregion)变宽，增大了光电转换的有效区域,提高了灵敏度；ii)耗尽区变宽,增加了二极管的反向阻抗,从而保证二极管有一个较高的反向击穿电压；iii)耗尽区变宽使PN结的结电容减小,可以提高器件的响应速度。N+光IP+NorthChinaUniversityofTechnology/XuFen27材料掺杂均匀，PN结面积较大，减少表面漏电流。原理在一个较高的反向偏置电压作用下，光生载流子在强电场作用下，加速运动，碰撞产生更多的电子-空穴对，使输出信号倍增。优点：灵敏度高；缺点：对温度特别敏感，每个APD放大倍数各不相同。雪崩二极管(Avalanchephotodiode)P光N+Al电极（+）-SO2NorthChinaUniversityofTechnology/XuFen28RFVo过压检测和保护电路高反压电源（带温度补偿功能）